基于Global mapper耦合SWMM模型的城市内涝控制研究

周国升，吕 谋，刘志壮，岳宏宇(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033)

进入21世纪以来，随着城市进程的不断加快，国内大多城市都存在洪涝问题，并且伴随严重的污染物负荷.暴雨条件下，城市出现洪涝问题的原因是多方面的，例如排水管网的承载力有限，城市建设导致的透水性降低等.

减少城市区域内涝发生的次数，解决污染物负荷问题，增强城市区域的排水能力，并有效地利用雨水资源，使雨水从简单排放到有效利用，国内外学者已经把此作为研究的重点方面.低影响开发(Low-Impact Development，LID)理念应运而生，在城市区域建设中布设绿色屋顶、道路透水铺装、雨水花园、雨水桶、自然排水系统等措施调控洪涝问题，有助于减轻城市洪涝对自然生态造成的不良影响，有利于自然生态的发展，具有不错的社会、生态、环境和经济效益.

研究模拟采用低影响开发(LID)措施对区域进行径流控制.LID是一种持续影响的开发措施，它的目的是通过提高汇水区域的渗透率来更好地处理雨水，更好地模拟雨水自然流态，根据实地情况采用不同的方式，增加雨水形成径流的时间，同时控制雨水冲刷的污染物.LID措施有很多方式，包括道路透水铺装、雨水花园、生物滞留设施、渗渠、植草沟等.

选取试验区域，分别在无LID模式和LID模式下模拟，对比分析汇水区参数、检查井积水数量和总积水量、管道负荷情况和径流污染物浓度情况，研究分析LID对城市区域暴雨条件下水量水质的调控效果.

1 研究方法

1.1 构建耦合分析模型

在Global mapper中采用最新的街景图作为绘制底图，加载高程地图，得到信息更准确的管网图.在Global mapper软件中绘制检查井和管段并添加属性数据后导入GIS系统，在GIS系统绘制汇水区域并根据实地情况进行调整，从Global mapper中获取整个区域的高程数据，裁剪所需区域，并将其导入GIS中进行格栅裁剪，生成坡度，并复制到各个汇水区的属性表.最后使用inp.PINS软件将GIS生成的shp格式文件转换成inp文件，在SWMM中设置，进行模型分析.模型构建流程如图1所示.

图1 模型构建流程

1.2 LID措施介绍

雨水径流调控多采用低影响开发措施(LID)，低影响开发措施是通过改变下垫面渗透性来控制雨水径流.LID措施改善下垫面情况，增大汇水区域下渗率来降低雨水径流，控制污染物负荷，不仅能起到良好的调控效果，还符合可持续发展的要求.

LID措施的种类有很多，简单介绍几种主要的LID措施.

透水铺装又名透水路面，主要采用透水砖、透水沥青、鹅卵石等透水率大的多空隙材料作为面层进行铺装的路面.透水铺装适用于承重较轻或交通流量较少的广场、人行道、小区道路等路面，其中透水沥青还可适用于交通路面等.

生物滞留设施，一般指在地势低洼地区构建的植物-土壤蓄水设施，由多种类植物、土壤和微生物组成，拦截下渗、净化雨水，可应用安装于不同区域位置.其结构主要包括蓄水层、覆盖层和原土层等，主要适用于不同建筑、社区广场的内部区域和周边绿地，以及城市道路绿化带等.Davis等研究结果表明，生物滞留设施消纳暴雨径流效果明显，有效延缓峰现时间[1].

雨水花园，由内而外一般为砾石层、砂层、种植土壤层、覆盖层和蓄水层，同时设有穿孔管收集雨水，溢流管排除超过设计蓄水量的积水，能够有效地去除径流中的悬浮颗粒、有机污染物以及重金属离子、病原体等有害物质.

2 构建模型

2.1 模型比较

比较SWMM传统建模和Global mapper耦合SWMM建模的优缺点：

传统的SWMM建模常用的是导入底图，根据底图绘制检查井、管段和汇水区，然后再输入它们的基本属性，设置其他参数进行模拟.这种方法的优点是模型整体比较清晰，有底图对应，能看清楚街景；缺点是检查井、管段和汇水区的基本属性都需要手动输入，汇水区边界的绘制容易存在误区.传统的SWMM模型见图2.

图2 传统的SWMM模型

Global mapper耦合SWMM模型是通过Global mapper，GIS，SWMM的层层导入建立的.这种方法的优点是检查井、管段和汇水区基本属性的计算准确，模型图的准确性较高；缺点是没有底图的对照效果，模型建立过程比较繁琐.Global mapper耦合SWMM的模型见图3.

由图3统计得出试验模型面积大约63.75 hm2，子汇水区6个，检查井29个，排水管道30条，排放口6个.

2.2 降雨条件设置

依据研究区域降雨特点及水文、水质分析目标，最终选取对我国华北地区适用性极大的芝加哥降雨模型[2].芝加哥降雨模型中的暴雨强度公式见式(1).

(1)

式中：q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；t为降雨历时，min；P为设计重现期，a；A，c，b和n均为地方性参数.

根据相关资料，青岛地区取A=1 919.009，c=0.997，b=10 740，n=0.738，则青岛暴雨强度公式为

(2)

降雨过程中存在雨峰，通过暴雨强度公式计算的降雨数据的雨峰系数r=0.34(雨峰系数范围为0

图4 区域降雨过程

2.3 模型参数设定

本研究的水文水力模块采用Horton下渗模型[4]，模型最大下渗率为86.2 mm/h，最小下渗速率为3.332 mm/h，下渗衰减率取4/h，模型采用常用动力波演算模型.根据实地划分土地使用类型为房屋、街道和绿地，制作土地使用类型污染物参数表(表1).

表1 土地使用类型污染物参数

2.4 LID措施选择

青岛地处北温带季风气候区且因频繁受到黄海洋面季风气流影响，城市气候温和，四季分明，具有显著的海洋性气候特点.降雨时空分布极其不均，年均降雨量662.1 mm.试验区域位于李沧工业园，道路多、绿化设施多、居住区少.模型选用透水铺装、生物滞留设施、雨水花园3种布置措施.对模型起始检查井所在的汇水区布置LID措施，从初步的模拟结果看初始检查井的最大高度均达到最高井深，但是初始检查井的平均深度与其他检查井基本没有差距.LID措施布设情况见表2、图3.

表2 LID措施布设情况

3 模拟结果分析

模型采用3年一遇的降雨强度，降雨历时为2 h，模拟径流时间4 h，对比分析LID模式和无LID模式的模拟情况.选取汇水区的径流量和汇水区参数，查看所有检查井的积水情况、统计积水检查井的数量和总积水量，分析管道负荷，统计S0汇水区污染物冲刷量和污染物瞬时浓度变化，分析LID对城市区域暴雨条件下水量水质的调控效果.

3.1 汇水区模拟数据分析

选取初始检查井所在的区域，对布置LID措施的汇水区S0进行数据分析，有无LID措施2种不同模式下汇水区径流量变化曲线如图5所示，汇水区流量数据变化如图6所示.

由图5可以看出，LID模式下S0汇水区径流量始终小于无LID模式，由图6可以看出LID模式下的S0汇水区总径流量、洪峰径流量比无LID模式分别减少53.5%，69.4%，径流系数下降，总下渗量变化幅度不大，这与苗小波、冉小青、洪国喜等[5-7]的研究结论基本一致.

3.2 检查井和管道负荷分析

查看有无LID模式下所有汇水区域检查井积水情况，无LID模式有9个积水点，积水量达到4456 t；LID模式有4个积水点，积水量达到2659 t.有无LID模式J1井深变化如图7所示.

相比无LID模式，LID模式有4个积水点，总积水量减少40.3%，有效缓解检查井积水现象，本研究只是在28个汇水区中选取了10个起始检查井所在的汇水区布置LID措施，积水点仍然存在，选择这样布置的方法起初是因为初始检查井都容易满流，但是从模拟结果看仅仅在初始检查井所在的汇水区添加LID设施对解决检查井溢流问题效果并不明显.从图7能够看出J1检查井的溢流时间由25 min缩减到2 min，溢流时间下降92%，溢流情况基本得到解决，LID模式整体井深都有所下降.

为了更清楚地看到检查井和管道负荷的变化，导出同一时刻2种模式下从检查井J1到排放口OUT5的管段剖面，如图8和图9所示.

图8 无LID模式下管段剖面

图9 LID模式下管段剖面

通过图8和图9的比较可以看出，无LID模式J1检查井在该时刻仍然存在溢流现象.分析无LID模式J1检查井溢流的原因主要有2点：①没有LID措施的调控作用；②区域J1—J2管段管径较小，雨水汇集之后不能及时排出.无LID模式管段内的水位明显高于LID模式，这说明LID措施的调控作用明显.如果把LID模式所有管段管径都调成大管径，即原先400 mm及以下的排水管增加100 mm，400 mm以上的排水管增加200 mm，则LID模式没有积水点，检查井溢流现象会消失，但是成本会很高，其他条件也不符合实际情况；如果所有汇水区都添加上LID措施，积水情况也会明显改善，所以LID措施布置范围和管段管径大小是影响雨水合理排放的重要因素.

3.3 径流污染物负荷分析

统计2种模式下S0汇水区径流污染物冲刷量，如表3所示.

表3 S0汇水区径流污染物冲刷量 kg

从表3可以看出，LID模式下S0汇水区径流污染物冲刷量减少明显；SS，COD，TN和TP分别减少401.413，69.5，3.12和3.399 kg，占无LID模式的56.4%，46.2%，42.8%和44.4%.

S0汇水区径流污染物瞬时浓度变化如图10所示.

由图10可以看出，LID措施对径流污染物截留作用明显，这与姚焕玫、曹震震等[8-9]关于SWMM模型的研究结论一致，2种模式下污染物浓度的变化趋势和峰值浓度时间是一致的，这主要是降雨强度(雨强变化是一致的)的增加导致的污染物冲刷增强.LID模式下的径流污染物浓度都低于无LID模式，这说明LID措施能有效截留径流污染物.4种径流污染物SS，COD，TN和TP峰值浓度的最大降幅分别为35.7%，33.3%，34.3%，32.9%.

4 结论

通过比较Global mapper耦合SWMM建模和传统SWMM建模，选用模型准确性更高的Global mapper耦合SWMM方法建模，在10个起始检查井汇水区添加LID措施，分析添加LID措施对试验区域的影响.

1) LID模式下S0汇水区径流量始终小于无LID模式，LID模式下的S0汇水区总径流量、洪峰径流量比无LID模式分别减少53.5%，69.4%.相比无LID模式，LID模式下S0汇水区4种污染物SS，COD，TN和TP峰值浓度的最大降幅分别为35.7%，33.3%，34.3%，32.9%.LID措施对径流量、洪峰径流量、污染物冲刷量、径流污染物浓度都有明显的削减作用，降低径流系数.

2) LID模式有4个积水点，总积水量减少40.3%，管段水位明显下降.LID措施有效缓解了积水量，通过调整发现大管径下检查井溢流情况会消失，大范围的LID措施布置会明显改善积水情况.LID布置范围和管径是影响雨水合理排放的重要因素.